Ensayos de Resistencia Cortante - Dr. Ing. Jorge Elias Alva Hurtado

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVILSECCIÓN DE POSTGRADOENSAYOS DE RESISTENCIACORTANTEDr. Jorge E. Alva Hurtado, PhDwww.jorgealvahurtado.com

MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTEY DE LOS PARÁMETROS DE RESISTENCIAEnsayos de laboratorioCorte directoCompresión triaxialCompresión no confinadaConsolidación isotrópicaEnsayos “in situ”Aparato de Veleta de CorteEnsayo de Penetración Estándar (SPT)Ensayo de Penetración con Cono Holandés (CPT)Ensayo de Carga DirectaEnsayo de Corte Directo Insitu

ENSAYO DE CORTE DIRECTO

ENSAYO DE CORTE DIRECTOObjetivo:Medir la resistencia cortante de suelos granularesEquipo:Se utiliza el aparato para Corte Directo (caja partidaun fija y la otra se puede mover horizontalmente conuna fuerza horizontal aplicada)Procedimiento del Ensayo:- Colocar el especimen al interior de la caja- Aplicar esfuerzo vertical- Aplicar esfuerzo horizontal hasta la falla

σ =NAτ =FAEsquema del Aparato de Corte Directo

τφτφσCσEnvolvente de falla para una arenaseca ensayada en corte directoEnvolvente de falla para una arcilladura ensayada en corte directo

Ensayo de corte Directo: ASTM D3080CARGA NORMAL:Se aplica por un mecanismode suspensión y palancaTornillos que mantienenunidas las dos mitadesde la caja de corteTornillos separadoresCAJA CORTANTE:Se aplica con ungato de tornilloMuestra deSueloCARGA CORTANTE:Se mide con un anillo de cargao celda de cargaPiedras porosas(en pruebas drenadas)CAJA DE CORTE DIRECTOPlacas acanaladas paraayudar a una mejor distribucióndel esfuerzo cortante(perforadas en las pruebas drenadas

Equipo de Corte Directopara Suelos GranularesEquipo mecánico. Se usaen suelos granulares

Equipo de Corte Directo ResidualTotalmente electrónico. Permite mayores deformaciones.Se usa en suelos finos

Resistencia Residual : Anillo de Corte Directoσ nMuestra para prueba rápida de corte Bishop et al, 1964Bromhead , 1979

6Resistencia máximaEsfuerzo tangencial (kg/cm 2 )42Resistencia residual00 2 4 6Deformación tangencial (%)Prueba de corte directo con drenaje de la lutita de Cucaracha(Margen del Canal de Panamá, 1947)

Esfuerzo tangencialMáximo s.c.Máximo n.c.σ = constanteResidualcφ finMáximo s.c.Máximo n.c.Residual0Desplazamiento0 σEsfuerzo efectivo sobreel plano de corteHumedadn.c.s.c.DesplazamientoRelación entre las resistencias máxima y residual

40°φµArenas30°SelsetCuarzo(orientaciónaleatoria)WienerTegelφ fim20°10°JackfieldJariArcillade OxfordArcillade LondresWeser-ElbaWalton’sWoodPequeñoBeltCuarzoCloritaTalcoBiotita0 20 40 60 80 100Fracción arcillosa ( < 2 µ) (%)Relación entre φ fim y el porcentaje de arcilla (Según Skempton, 1964)

ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE

ENSAYO DE CORTE TRIAXIAL

EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO UU(NO CONSOLIDADO-NO DRENADO)a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO RÁPIDAMENTE SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLABLANDAτ ff = Suinsituτ ffb) PRESA DE TIERRA GRANDE CONSTRUÍDA RÁPIDAMENTE SIN CAMBIO EN ELCONTENIDO DE HUMEDAD DEL NÚCLEO DE ARCILLAτ ffτ ff = Su del núcleo de arcilla compactadac) ZAPATA CONTÍNUA COLOCADA RÁPIDAMENTE EN DEPÓSITO DE ARCILLAq uDq u = 5.7 Su + γ t Dde la fórmula de capacidad de carga de Terzaghi con φ = 0B

EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CD(CONSOLIDADO - DRENADO)a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO MUY LENTAMENTE POR CAPAS SOBRE UN DEPÓSITO DEARCILLA BLANDAτ ff = Sd resistencia cortante drenada insituτ ffb) PRESA DE TIERRA CON ESTADO DE INFILTRACIÓN CONSTANTEτ ff = Sd del núcleo de arcillaτ ffc) ZAPATA CONTÍNUA EN DEPÓSITO DE ARCILLA A LARGO PLAZO DESPUÉS DE LACONSTRUCCIÓNDq uq= c Nc + 1γ BN + γγ2uDN qdonde Nc, N γ y Nq son función de φB

EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CU(CONSOLIDADO - NO DRENADO)a) TERRAPLÉN ELEVADO DESPUÉS DE CONSOLIDARSE BAJO ALTURA INICIAL21τ ff = Su insitu después de consolidación bajo capa1τ ffb) DESEMBALSE RÁPIDO AGUAS ARRIBA. SIN DRENAJE DEL NÚCLEOτ ff = Su del núcleo correspondiente aconsolidación bajo infiltración constanteantes del desembalseτ ffc) CONSTRUCCIÓN RÁPIDA DE TERRAPLÉN EN TALUD NATURALτ ff = Su insitu de arcilla en el talud naturalantes de construcciónτ ff

ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADAbP,PARCILLA SOBRECONSOLIDADAbP,PRESISTENCIA CORTANTE DRENADA Y NO DRENADA

ENSAYO TRIAXIALObjetivo:Medir la resistencia cortante de diferentes tipos de suelos endiferentes condiciones de carga y drenaje.σ 3 σ d σ 1σ 1 = σ 1 − uσ 3+=σ 3uσ 3 = σ 3 − uσ 31° ETAPA2° ETAPAσ 1 = σ 3 + σ dσ d = σ 1 − σ 3

Tipos de Ensayos Triaxiales- Ensayo No Consolidado - No drenado (UU)Construcción rápida en arcillas blandasAnálisis al final de la construcción de presas de tierra- Ensayo Consolidado - Drenado (CD)Construcción en arenas.Construcción lenta en arcillas.Análisis en el estado de infiltración constante de presas de tierra.- Ensayo Consolidado - No Drenado (CU)Construcción rápida sobre arcillas sobreconsolidadas.Análisis de desembalse rápido de presas de tierra.

Resistencia CortantePistonPorousstoneLucitechamberShearStressRubermembraneSoilspecimenBaseplateChamberfluidPorousstoneValvecφTo drainage and/orPore water pressure deviceSchematic diagram of triaxialtest equipment(a)σ 3σ 3σ1σ1Consolidated – Drained test(b)NormalStress

ShearStressTotalFailureenvelopeφ cuc cuσ 3σ 3 σ 1 σ 1NormalStress σShearStressShearstresscEffective stressFailureenvelopeσ 3σ 3 σ 1 σ 1φNormalStress σTotal stressFailure envelope(φ=0)S=C CUσ 3 σ 3 σ 1σ 1NormalStressConsolidated – Undrained test(c)Unconsolidated – Undrained test(d)

qSen φ = tg αac =cos φαQ = a + b tgαaP

ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN-SITU

TALLADO DE ESPECÍMENES PARA REALIZACIÓNDE ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN SITU

ENCOFRADO DE ESPECIMEN CON LA FINALIDAD DE LOGRAR LA HOMOGENEIDADDE LAS PAREDES MEDIANTE EL VACIADO DE UNA MEZCLA DE CEMENTO CON YESO

EJECUCIÓN DEENSAYO DE CORTEDIRECTO EN ELESPÉCIMEN 1 CON UNACARGA NORMAL DE 0.5kg/cm 2

ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN ESPÉCIMEN 2. SE APRECIAN LAS CELDAS DE CARGANORMAL Y TANGENCIAL, ASÍ COMO LOS DEFORMÍMETROS

EQUIPO DE ADQUISICIÓNDE DATOS Y GATASHIDRÁULICAS UTILIZADASPARA LA APLICACIÓN DELA FUERZA TANGENCIAL YNORMAL

c = 0.27kg/cm 2φ = 43.5 º

ENSAYOS DE CARGA IN SITU

ENSAYO DE CARGA IN-SITU

INSTALACIÓN DE LA PLACA

INSTALACIÓN DE LOS SOPORTES PARA LOS EXTENSÓMETROS Y LA CELDA DECARGA

ENSAYO DE PLACA

EQUIPO DE ADQUISICIÓN DE DATOS

ENSAYO DE CARGA DIRECTA12111098CARGA (Kg/cm 2 )765432100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10ASENTAMIENTO (mm)

PARAMETROS DE RESISTENCIA

SUELO GRANULARProblema Angulo de fricción Depende deResistencia interna de la arenapara pequeñas deformacionesResistencia interna de las arenaspara grandes deformacionesDeslizamiento de la arena sobreuna superficie lisaDeslizamiento de la arena sobreuna superficie rugosaAngulo de fricción máximo φ Composición del suelo;relación de vacíos inicial;esfuerzo de confinamientoinicialAngulo de fricción residual φ cν Composición del suelo;relación de vacíos en elestado residualAngulo de fricción entrepartículas φ µNaturaleza de los mineralesdel suelo y de su estadosuperficialAngulo de fricción residual φ cν Composición del suelo;relación de vacíos en elestado residualTìpos de ángulo de fricción a utilizar en diversos problemas prácticos

5045Angulo de fricción φ (grados)4035302525 30 35 40 45Porosidad inicial (%)0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8Relación de vacíos inicialRelación entre el ángulo de fricción y la porosidadinicial para diversos suelos granulares

Muy sueltaSueltaMuy compacta0MediaCompacta10Penetración estándar(golpes/30 cm)2030405060708028 32 36 40 44φ (grados)Correlación entre el ángulo de fricción y la resistencia ala penetración (Según Peck, Hanson y Thornburn, 1953)

Resumen de datos sobre ángulos de fricción para su utilización enanteproyectosÁngulos de fricciónPara la resistencia máximaAngulo de taludnaturalPara la resistenciaresidualCompacidad MediaCompactaClasificacióni(°)Limo (no plástico) 26a30Arena uniforme fina amedia26a30Arena bien graduada 30a34Arena y grava 32a36Talud(vert. a hor.)1:21:1.751:21:1.751:1.751:1.501:1.601:1.40φ cν (°)26a3026a3030a3432a36tgφ cν0.4880.5770.4880.577φ(°) tg φ φ(°) tg φSegún B. K. Hough, Basic Soils Engineering. Copyright © 1957, The Ronald Press Company, Nueva York0.5770.6750.6250.72628a3230a3434a4036a420.5320.6250.5770.6750.6750.8390.7260.90030a3432a3638a4640a480.5770.6750.6750.7260.8391.0300.9001.110Nota. Dentro de cada gama se asignan los valores menores si las partículas son redondeadas y si existe uncontenido importante de lutita blanda o mica, mientras que los valores más elevados corresponden a partículasduras, angulosas, Utilícese menores valores para presiones normales altas que para presiones moderadas

SUELO COHESIVO DRENADO1.00.90.8Suelo inalteradoSuelo remoldeadoActividad > 0.75Actividad < 0.750.70.6sen φ0.50.40.30.20.105 6 8 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150Indice de plasticidad (%)Relación entre sen φ y el índice de plasticidad para suelos normalmenteconsolidados (según Kenney, 1959)

Métodos normales para medir la resistencia al corte sin drenajeMétodoMedidas in situ1. Prueba de veletaObservacionesGeneralmente se considera que da los mejoresresultados, pero su uso está limitado por laresistencia del suelo que se pretende estudiar2. Prueba de penetración Da una correlación sólo aproximada con laresistenciaMedidas en muestras inalteradas1. Compresión simple Es la mejor prueba para fines generales, subestimala resistencia debido a que la perturbacióndisminuye los esfuerzos efectivos2. Pruebas SCSD con la presiónde confinamiento existente insitu3. Pruebas CSD con la presión deconfinamiento existente in situEs la más representativa de las pruebas delaboratorio debido a la compensación de erroresSuperestima la resistencia debido a que laperturbación da lugar a una menor humedaddespués de la reconsolidación

0.7Cociente de la resistencia al corte sin drenaje y la presión de consolidación, su/σv0.60.50.40.30.20.1Arcillas marinasRelación aproximada para las arcillas especiales00 40 80 120 160 200 250 300 350Indice de plasticidadVariación de la relación su/σ 10 con el índice de plasticidad (según Osterman, 1959)

Magnitud relativa de las resistencias al corte con o sin drenajeCarga en compresióntriaxial (σ 1 creciente conσ 3 constante)Descarga en compresióntriaxial (σ 1 constante conσ 3 decreciente)ArcillanormalmenteconsolidadaCD > CSDCSD ≈ CDArcillafuertementesobreconsolidadaCSD ≈ CDCSD >> CDNota: Estas comparaciones son aplicables a muestras con el mismoesfuerzo efectivo inicial.

Elección del método de cálculo de estabilidad en esfuerzos totales o efectivosCaso Método preferible Observaciones1. Final de la construcción consuelo saturado; período deconstrucción corto respecto alde consolidaciónCálculo S u con φ = 0 y c = S uEl método c, φ permite comprobacionesdurante la construcción mediante laspresiones intersticiales reales2. Estabilidad a largo plazo El método c, φ con presionesintersticiales deducidas de lascondiciones de equilibrio del aguafreática3. Final de la construcción consuelo parcialmente saturado;período de construcción cortorespecto al de consolidaciónCualquier método: c u , φ u enpruebas SCSD o el c, φ u conpresiones intersticiales estimadasEl método c, φ permite comprobacionesdurante la construcción mediante laspresiones intersticiales reales4. Estabilidad en fase intermedias Método c, φ con presionesintersticiales estimadasLas presiones intersticiales reales debencomprobarse in situ

Presión intersticial inicialPresión intersticial finalNivel freáticofinalNivel freáticooriginalPPresión intersticial al finalde la excavación A = 1Línea equipotencialPresión intersticial al finalde la excavación A = 0F, factor de seguridad u, presión intersticial en P0Nivel freático originalA = 1A = 0Aplicable el método φ = 0 en esta faseA = 0Factor de seguridad (método c, φ)A = 1Nivel freático finalTiempo0ExcavaciónrápidaRedistribución de presiones intersticialesTiempoEquilibrio de presionesintersticialesVariación de las presiones intersticiales y del factor de seguridad durante y después de laexcavación de una trinchera en arcilla (Según Bishop y Bjerrum, 1960)

Nivel de agua máximoRelleno de rocah rh ch wh'PSuperficie dedeslizamiento deaguas arribaSuperficie dedeslizamiento deaguas abajoLínea equipotencial correspondiente alpunto P antes del vaciadoEsfuerzo tangencial medioen una superficie dedeslizamiento pasando por PConstrucciónDisipación de presionesintersticialesAguas abajoAguas arribaEmbalse llenoLlenado FlujoVaciado rápidoEmbalse vacíoTiempoestablecidoPresión intersticial mediaen una superficie de la fallapasando por PSuponiendo que no hay disipaciónAguas arribaAguas abajou 1u 2 u 3 Tiempou 0Aguas arribaF, factor de seguridadAguas abajoTiempoVariación de los esfuerzos tangenciales, presiones intersticiales y elfactor de seguridad y después de la construcción de una presa de tierra(basado en datos de Bishop y Bjerrum, 1960)

NivelfreáticoPτAltura del terraplénEsfuerzo tangencial medio τ en una superficie dada que pasa por P0TiempoPresión intersticial en PuCorrespondiente alnivel freático0TiempoMétodo φ = 0 aplicable en este casoF, Factor de seguridadFactor de seguridad frente a un deslizamiento en la cimentación (Método c, φ)TiempoConstrucción Distribución de presiones intersticiales Equilibrio de presiones intersticialesrápidaVariación de los esfuerzos tangenciales, presiones intersticiales y el factor deseguridad y después de la construcción de terraplén (Según Bishop y Bjerrum, 1960)

Elementos necesarios para el cálculo en esfuerzos totales o efectivosSe necesitanObservacionesLos esfuerzos totales en el suelo debidos alas fuerzas de masa y a las cargasexterioresPruebas para determinar la resistencia delsuelo sometido a variaciones de esfuerzototal semejantes a las que se producirán enla masa del sueloLos esfuerzos totales en el suelo debidos alas fuerzas de masa y a las cargasexterioresCALCULO EN ESFUERZOS TOTALESComún a ambos métodosLa precisión de las pruebas es siempre dudosa yaque la resistencia depende de las presionesintersticiales inducidas y éstas a su vez dependende muchos detalles del método de prueba; laspruebas son fáciles de realizarCALCULO EN ESFUERZOS EFECTIVOSComún a ambos métodosPruebas para determinar la relación entreresistencia y esfuerzo efectivoDeterminación de las variaciones depresión intersticial debidas a variaciones enlas cargas exterioresPuede realizarse con considerable precisión yaque esta relación no es muy sensible a lascondiciones de la prueba; las pruebas requierenbastante tiempoLa precisión es siempre dudosa debido a losmúltiples factores que influyen sobre la magnitudde las variaciones de la presión intersticial

Comparación entre los métodos de cálculo en esfuerzos totales y efectivosCriterio Esfuerzo total Esfuerzo efectivoSencillez y volumen decálculo o pruebasPrecisiónCalidad de los resultadosMucho menos trabajo ya que elcálculo en esfuerzos efectivos tieneel paso extra de determinar lavariación de presiones intersticialesNinguna diferencia: la misma laguna que hace difícil calcularla variación de presiones intersticiales, implica la dificultad decrear las condiciones adecuadas en pruebas sin drenajeMás claro, debido a que la resistenciaviene determinada por los esfuerzosefectivos. Es posible comprobar elproyecto mediante medidas de presionesintersticiales durante la construcción

ENSAYOS IN SITU

Field Investigation Methods{

Standard Penetration Test{

{CPT Test Equipment

{Dilatometer

{Field Vane Test

Pressuremeter Test, PMT{